Cursul Nr5

download Cursul Nr5

of 10

Transcript of Cursul Nr5

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    1/10

    Fizica IICursul Nr. 5

    STRUCTURA ATOMULUITABELUL PERIODIC AL ELEMENTELOR

    Bibliografie1). Emil Luca, Gheorghe Zet, Corneliu Ciubotariu, Anastasia Paduraru,Fizica Generala, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti-1981 ( cap. 6)2). Cursul de Fizica BERKELEY, volumul IV, Fizica cuantica, EdituraDidactica si Pedagogica, Bucuresti 1983. (cap.l,4 si 5).3. I. Cosma, Fizica, Institutul Politehnic Cluj-Napoca, 1984. ( Partea a-II-a,cap. XIV)Structura atomului (Continuarea cursului Nr.4)

    2.1 Experimentul Stern-Gerlach. Spinul electronuluiIn anul 1922 O. Stern si W. Gerlach au pus la punct 0 metoda pentrumasurarea momentelor magnetice atomice. In aceasta experienta, un fasciculde atomi de H (Fig.5.1.) se misca de-a lungul directiei ,X intalnind indrumul sau 0 regiune cu un camp magnetic neuniform indreptat de-a lunguldirectiei z. Deoarece atomul de hidro gen se gaseste in starea s (l= 0),momentul cinetic orbital si momentul magnetic orbital sunt egale cu zero( l =m =0). Din aceasta cauza, forta cu care campul magnetic actioneazaasupra atomului de hidrogen este zero

    dU d d dF =-_ =-(JlB) =-(JlzB) =-(mJlBB)= O .dz dz dz dz (5.1 )Deoarece forta magnetic a este zero, fascicolul de atomi ar trebui sa treacanedeviat, lasand 0 singura urma in centrul ecranului (Fig. 5.1.)

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    2/10

    U rma c on fo rmteo rie i c las iceU rm a fascicu lu lu i pe ecran Fascicu l de atom i de H

    S i stem d e fa nte

    Cuptor

    C am p mag ne tic n eomo ge n

    Fig.5.1. Schema experimentului lui Stem-GerlachIn realitate, experimentul lui Stem si Gerlach a aratat ca fasciculul de atomide H se descompune in doua componente carora le corespunde un momentmagnetic

    (5.2)Deoarece momentul magnetic orbital al atomului de H in starea s este zero,rezulta ca momentul magnetic observat experimental este datoratelectronului insusi. Cu alte cuvinte, este necesar sa se admita ca electronulposeda un moment cinetic si magnetic propriu. Momentul cinetic simagnetic propriu al electronului poarta denumirea de moment cine tic de spinsi, respectiv, moment magnetic de spin. Intr-o reprezentare intuitiva spinulelectronului poate fi imaginat ca fiind momentul cinetic datorat miscarii derotatie a electronului in jurul propiei axe (to spin=a se roti). Spinulelectronului poate fi explicat doar in cadrul mecanicii cuantice relativiste (teoria lui Dirac).Pentru a explica faptul ca proiectia momentului cinetic de spin pe directia zare doar doua valori, trebuie sa admitem ca numarul cuantic de spin estesemiintreg , S =1/2. In acest caz numarul de stari este 2s + 1=2.Momentul cinetic de spin este

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    3/10

    s= - J s ( s + l ) n = - J 3 h ,2iar proiectia pe z are doua valori(5.3)

    (5.4)

    Numarul ms =+ 1/2 poarta denumirea de numar cuantic magnetic de spin,iar s = 1 / 2 se numeste numar cuantic de spin.Spre deosebire miscare orbitala unde relatia dintre momentul magnetic si eelcinetic este dat de relatia (4.18) in miscarea de spin relatia dintre momentulcinetic de spin si momentul magnetic de spin este dat de relatia

    (5.5)

    unde g poarta denumirea de factor Lande de spin si are valoare g=2.Tinand cont de (5.4) si (5.5) se obtine pentru momentul magnetic de spin pedirectia z valorile

    (5.6)

    De retinut!!!Electronul are un moment magnetic intrinsec, numit moment magnetic despin, a carui proiectie pe directia campului magnetic exterior are doar douavalori: + f . 1B Valoare pozitiva se simbolizeaza prin t (spin sus) iar ceanegativa prin ~ (spin jOs).

    2.4 Numerele cuantice. Principiullui PauliPe parcursul acestui curs am demonstrat ca stare electronului in atom estedescrisa de patru numere cuantice n, I,m si ms.

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    4/10

    1. Numarul cuantic principal (n =1, 2, 3 .. . ) descrie dimensiuneaorbitalilor. De exemplu, orbitalii corespunzatori lui n =2 sunt maimari decat cei pentru n =1. De asemenea, numarul cuantic principalcuantifica energia orbitalului.

    ( 2 J 2=_m e _I_n 2 47r o fz n22. Numarul cuantic orbital ( l =0, 1,2, ... n -1) descrie forma

    orbitalului si marimea momentului cinetic orbital. De exemplu,orbitalul 1 =1 are forma sferica, 1 =2 are forma de lobi, etc.I I I = fz~/(t + 1 )

    3. Numarul cuantic magnetic (m =-I, ...0 ... + I) descrie orientareain spatiu a orbitalilor. EI cuantifica proiectia momentului cineticorbital pe directia z si energia in camp magnetic a orbitalului.

    L, =mh ; fz eo.;=m--BZm;4. Numarul cuantic magnetic de spin ( m s =+ 1/2) descrie momentulmagnetic propriu al electronului.

    ef . 1 sz=-gSz = + f . 1 B2mPrincipiullui Pauli:Intru-un sistem de particule identice cu spin semiantreg (de exempluansamblul electronilor dintr-un atom) nu pot exista doua particule in

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    5/10

    aceeasi stare, caracterizata de acelasi set de numere cuantice n, I,m Slms

    2.5 Configuratia electronica a atomilor cu mai multi electroni.Asezarea electronilor intr-un atom se face tinand cont de urmatoareleprmcipu:

    1. Un sistem de particule este stabil atunci cand energia sa este minima2. Principiul lui Pauli3. Regulile lui Hund

    La aplicarea primei reguli, trebuie sa se tine cont de urmatoarea succesiune anivelelor energetice:Is < 2s < 2p < 3s < 3 p _ < 4 s < 3d < 4p_ < 5s < 4d < 5p_< 6s < 41< 5d < 6p_ < 7s~ 51< 6d < 7 _ < 8s ...Este important de remarcat ca exista cateva inversiuni m succesiuneanivelelor energetice. De exemplu, nivelul 4s < 3d desi in conformitate curelatia (4.6) nivelul 3d ar trebui sa aiba energia mai mare decat nivelul 4s.De asemenea, nivelul 4d este inversat cu 5s, iar 5f este inversat cu 6p si7s. Asa cum vom vedea pe parcursul acestui curs, aceasta inversiune insuccesiunea nivelelor energetice este esentiala pentru proprietatile atomilorrespectivi.In determinarea structurii invelisului electronic a unui atom apar situatiicand plasarea electronilor pe orbitali nu este in mod unic definita, deoareceexista mai multe posibilitati de plasare echivalente. In astfel de cazuri sefoloseste 0 metoda empirica de completare, cunoscuta sub numele deregulile lui Hund. Acestea sunt:

    1. Spinul total sa ia valoarea maxima permisa de principiullui Pauli.2. Momentul magnetic sa ia valoarea maxima

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    6/10

    3. Momentul cinetic total este J = I L - S l daca orbitalul este mai putinde jumatate plin si J = I L + S l daca orbitalul este mai mult dejumatate plin.

    26 17 2 2 6 2 6 6 2Exemplu: r e: Is ,2s ,2p ,3s ,3p ,3d, 4s

    Pentru a marca orientarea spinului electronului este utilizata 0 reprezentaregrafica a configuratiei electronice, asa cum este ilustrat in Fig.5.2. In aceastareprezentare suborbitalii corespunzatori diferitelor valori ale numaruluicuantic magnetic sunt reprezentati prin linii orizontale, iar spinulelectronului este reprezentat prin sageti sus sau jos, in functie de orientareaspinului.

    i i i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 ii i i i iFig. 5.2. Configuratia electronica a Fe intr-o reprezentare grafica. Prin liniiorizontale este reprezentat numarul cuantic magnetic. De exemplu, orbitaliide tip p au trei valori pentru m =-1, 0, + 1.2.6 Sistemul periodic al elementelorToate elementele au fost clasificate in functie de configuratia electronica intabelul periodic. Tabelul periodic este 0 insiruire a elementelor (Fig 5.3.), inordinea crescatoare a numarului atomic Z, respectand urmatoarele reguli:- elementele sunt asezate in coloane verticale - grupe, respectiv siruriorizontale - perioade; numarul grupei reprezinta numarul electronilor de peultimul invclis, care determina proprietatilc chimice ale elementelor- rezultasimilitudinea proprietatilor chimice in grupe; numarul perioadei din sistemeste egal cu numarul cuantic principal (al stratului electronic in curs deocupare)

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    7/10

    -pozitia pe care un element 0 are in sistemul periodic determina in cea maimare masura proprictatile sale chimice ~i fizice, determinate de structuraelectronic a a atomului respectiv- elementele care au pe ultimul nivel doar electroni s ~ip constituie grupeleprincipale(A) sau elementele netranzitionale-elementele care poseda ca orbitali de valenta orbitale d, formeazaelementele tranzitionale sau grupele secundare (B)-forma actuala a sistemului periodic opereaza cu blocuri- blocul s - format din primele doua grupe principale (grupele 1 ~i2 sau IA ~iIIA), respectiv metalele alcaline si alcalino-pamantoase, care au pe ultimulnivel unul, respectiv doi electroni intr-un orbital s.- blocul p - constituit din urmatoarele 6 grope principale (grupele 13-18 sauIII - VIllA) care i~i completeaza succesiv cei 3 orbitali p cu cate 2 electroni;elementele din grupa 18 au configuratic electronica de octet, cea mai stabilaconfiguratie posibila, de aceea aceste elemente au fost numite mult timp"gaze inerte", fiind considerate complet nereactive.-blocul d-elementele tranzitionale- formeaza 4 serii de cate 10 elemente,corespunzatoare ocuparii celor 5 orbitali d cu cate 2 electroni (total 10electroni):

    -prima serie: Z = 21 (Sc) - Z = 30 (Zn), perioada 4,-a doua serie: Z = 39 (Y) -Z = 48 (Cd), perioada 5,-a treia serie: Z = 71 (Lu) -Z = 80 (Hg), perioada 6,-a patra serie: Z=103 (Lr)-Z = 112 (Uub)*perioda 7

    * Uub= ununbiul (elemente transuraniene, Z> 102)-blocul f -corespunde completarii orbitalelor f cu 14 electroni ~i cuprindedoua serii de cate 14 elemente: lantanidele de la Z = 57 (La) la Z = 70 (Yb),actinidele de la Z = 89 (Ac) la Z = 102 (No)-proprietatilc chimice ale elementelor sunt determinate in primul rand detendinta atomilor de a realiza configuratii electronice cat mai stabile (ceamai stabila este configuratia de "octet") ~i de a-si folosi cat mai completorbitalii de valenta

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    8/10

    -prime le elemente din grupele principale se deosebesc destul de mult deelementele grupei respective, dar prezinta asemanari pe diagonald cuelementele grupei urmatoare (mai ales pana la grupa 4 (IVA):

    Li Be B C N 0 FNa Mg Al Si P S CI

    astfel, Li ~i Be au caracter electropozitiv mult mai putin accentuat decatcelelalte elemente din grupele 1 si 2 care sunt cele mai electropozitivemetale cunoscute; la fel borul este nemetal, pe cand celelalte elemente dingrupa sunt metale-comportamentul chimic al elementelor din grupele principale estedeterminat in mare masura de energia de ionizare, afinitatea pentruelectron, respectiv de electronegativitatea lorEnergie de ionizare-energia consumata la indepartarea unuia sau a maimultor electroni dintr-un atom izolat in stare gazoasa pentru a da nastereunui ion pozitiv, cation (se masoara in eVIparticula)Afinitate pentru electroni- energia degajata (sau consumatal) de un atomizolat care accepta un electron ~i se transforma intr-un ion negativ, anion (semascara in kl/mol)Electronegativitatea-capacitatea unui atom, facand parte dintr-o molecula,de a atrage electroni (Pauling)-metalele din grupele 1 ~i 2 - alcaline si alcalino - pamantoasc au cea maimica energie de ionizare, ele au un puternic caracter electropozitiv; energiade ionizare scade in grupa, cea mai mica valoare 0 are cesiul, acesta fiindelementul eel mai electropozitiv; in perioada energia de ionizare crestc de lastanga la dreapta, astfel ca energiile de ionizare ale gazelor rare sunt cele. .mal man-elementele netranzitionale sunt impartite in doua printr-o diagonal a caretrece prin B, Si, As, Te; aceasta diagonala marcheaza aproximativ limitaintre metale (in stanga diagonalei) si nemetale (in dreapta diagonalei);elementele situate in imediata vecinatate a diagonalei sunt numite curentsemimetale.

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    9/10

    -in mod simplificat, se poate afirma ca metalele sunt conductori electrici,nemetalele sunt izolatori, iar semimetalele sunt semiconductori

    Tabelul periodic al elementelor

    elemente sH- ~ " , Ielemente d elemente p

    L(pama

    1 1 12H .:. grupe(18) IliA IVA VA VIA VilA H e2 3 2 ~ 2 52 6 2 7 2 $ 2 2 10Li Be B C N 0 F N e3 113 12 VIII 13 : :: 1 11 - : :: 15 ::: 16 3 17 ::: 1$N a Mg IIiB IVB VB VIB VIIB IB liB A I S i P S C I A r~ 13~ 20 ~ 21 ~ 22 ~ 23 ~ 2~ ~ 25 ~ 26 ~ 27 ~ 2$ ~ 2. ~ 30 31 ~ 32 ~ 33 ~ 31+ II- 35 ~ 36K ca Sc T i V C r Mn Fe C o N i C l l I Z n Ga G e As Se B r Kr5 37 5 3$ 5 3.5 uo 5 ~1 5 ~2 5 ~3 5 ~~ 5 ~5 5 ~6 5 ~7 5 ue ~~ 505 51 5 52 5 53 5 5~R b S ir y Z r N b Mo T c R l l IR h Pd A g C d In Sn Sb T e I Xe6 55 6 56 -3 : 6 726 736 7~ 6 75 6 76 6 77 6 7$6 79 6 $0 81 82 836 eu 6 85 6 86C s Ba H f T a W R e O s I r pt A u H g T I Pb B I Po At R n7 87 7 88 - * * " - - - 7 10~ 7 1057 10';7 107 7 108: 7 10"3 7 110 7 III 7 112 113 11~ 115 7 116- 7 117 7 l18I F r R a R f D b sg B h H s Mt D s R g Ul!lb U u t U u q U u p - - -------antanide * 6 S76 S$ 6 S9 so ~1 ~ .2 ~ 6 - : : : E - su ~ ~S E ~~~ n.~$ O. 70 ~ 71nturi rare) La Ce Pr Nd Pm Sm E ll Gd Tb lO y Hlo E lr 1m Vb L u

    7 89 7 907 91 7 92 7 93 7 9~ 7 9S 7 %7 "977 987 99 7 100 7 101 7 102 7 103Actinide ** Ac Ih Pal IU N IP Pu Ami Cm Bk Cf Es Fm Md No L r

    perioade ( 7 ) ]

    elemente fFig.5.2. Tabelul periodic al elementelor-in dreapta sistemului periodic sunt grupate nemetalele; caracterulelectronegativ crestc de la stanga la dreapta ~i este maxim in grupa 17(grupaVII A); eel mai electronegativ element este fluorul, care are cea mai mareafinitate pentru electron (-333 kJ -mol"); valorile negative indica faptul ca, laaceste elemente, acceptarea unui electron se face cu degajare de energie; totihalogenii degaja energie la formarea ionilor negativi, la fel ca si oxigenul.-nemetalele din dreapta sistemului periodic sunt gaze la temperaturaobisnuita, iar in grupa 17 a halogenilor, bromul este lichid, iar iodul estesolid-electronegativitatea elementelor crestc in perioada de la stanga la dreapta siscade in grupa de sus in jos; astfel, cea mai mica electronegativitate 0 arecesiul (0,7) ~i cea mai mare, fluorul (4,0).

  • 5/14/2018 Cursul Nr5

    10/10

    -elementele eu earaeter ehimie foarte diferit (clcctroncgativitati foartediferite) vor prezenta eea mai mare tendinta de a forma combinatii ioniee; deexemplu, intre metalele alealine (grupa 1) ~ihalogeni (grupa 17)-elementele eu electronegativitati apropiate vor forma eu predilectiecombinatii eu legaturi eovalente-toate elementele tranzitionale (elementele bloeului d ~if) sunt metale